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mox燃料研究在中国的进展 1 mox燃料生产 快速沉积是实现核电厂附加值、提高原油资源利用率和减少长寿核素的最重要途径。20世纪60年代,比利时、法国、美国、意大利、德国、日本和印度等国纷纷建立钚实验室,开发供增殖快堆使用的MOX燃料。1970—1985年国际上形成了快堆MOX燃料的研究高潮。截至80年代末,大多数建成的快中子堆(包括实验、原型和验证堆)都成功地使用了MOX燃料。目前,全世界有20多个快中子堆装载了MOX燃料,最高燃耗已达到13%裂变消耗的原子分数,即相当于120GWd/kgM),积累了300堆·年的快堆运行经验。当前法国、俄罗斯、日本和印度的快堆仍在运行之中。 国际上共建造了24座MOX燃料厂,其中LWR-MOX燃料厂和FBR-MOX燃料厂各占一半。截至2004年,全世界累计生产了1 840 t重金属(HM)。目前MOX燃料的生产能力己达213 t/a。 美国早期曾建造了5个小规模的MOX燃料厂,生产总量为50~70 t/a。但运行至1976年时,由于后处理厂被美国政府无限期关闭并最终被拆除,MOX燃料生产也被迫停止下来。目前,美国虽然选择核废物直接永久处置的“一次通过”循环,但其乏燃料累计已达5万多吨,每年产生乏燃料2 000 t,尤卡山乏燃料填埋场将很快被塞满,面临再花巨额资金建设一个新的填埋场的压力。进入21世纪后,美国对乏燃料采取“一次通过”的政策受到挑战,意识到要大规模发展核电和降低核燃料成本,必须提高铀资源利用率和减少核废物产生率。2006年美国启动了“全球核能合作伙伴计划”(GNEP),并计划建立统一的核燃料处理中心(CFTC)和建造一座600 MW先进钠冷快堆(ABR),用于焚烧和嬗变含有钚和其他次锕系元素的新型MOX燃料。 1962年,法国CFCa燃料工厂开始小规模研制快堆MOX燃料,先后建造了两条FBR-MOX燃料研制生产线。80年代中,法国电力公司(EDF)决定将MOX燃料应用于压水堆中,以消耗因发展快堆MOX燃料而贮存的大量钚,于是将其中一条FBR-MOX燃料生产线改造成PWR-MOX燃料生产线,并于1990年投产。2004年,法国MOX乏燃料后处理厂投入运行,已回收了10 t MOX乏燃料,并克服了完全溶解PuO2技术难题。目前法国正在考虑发展第四代快堆设计的后处理方案,预计于2020年建成符合第四代核电站指标的原型快堆。 20世纪70年代,俄罗斯建成了3个FBR-MOX燃料制造厂。目前俄罗斯已决定在商业快堆中循环利用钚,并计划再建3座类似的商业快堆。 1972年,日本建造了含有两条MOX燃料生产线的PFFF工厂,其中一条是生产先进热堆ATR-MOX燃料,另一条是生产FBR-MOX燃料,1988年,日本又建成了一条全自动化的PFPF燃料工厂,其MOX燃料生产能力足以供应Joyo和Monju两个快堆。日本确认快堆是能源战略的重要内容,在建成一座实验快堆和一座原型快堆的基础上,目前正在加快商用快堆和MOX燃料的研发。 印度于1985年建成了实验快堆(FBTR)。2002年决定建造一座500 MW原型快堆(PFBR),计划2010年建成。为此,印度提前几年就开始建造一座100 t/a的快堆MOX燃料工厂。该工厂可为计划2020年前即将建造运行的5座快堆电站提供MOX燃料。 2 推动我国快堆发展的“三步走”战略 MOX燃料厂是位于后处理厂和核电站之间的重要中间环节,开展MOX燃料研究是实施核燃料闭式循环战略的必然要求。铀是不可再生的有限宝贵资源,而核能长期发展对铀资源提出了巨大和持续的需求。我国已探明铀储量与核电发展对铀资源的需求存在较大差距,如果我国只发展UO2燃料,铀资源的供应紧张将成为我国核电可持续发展的主要制约因素之一,发展MOX燃料有利于提高铀资源利用率。Pu是制造核武器的主要原料,库存Pu的累积增加加大了核扩散风险,发展MOX燃料有利于保护环境和防止核扩散。国际上热堆的铀资源利用率只有1%左右,而通过快堆及其燃料循环可以将铀资源利用率提高60~70倍;快堆具有独特的燃料增殖和核废物嬗变功能。开展MOX燃料研究有利于推动我国快堆发展。 我国核电发展遵循“近期发展压水堆、中期发展快堆、远期发展聚变堆”三步走的技术路线。由于铀资源的限制,我国今后要大规模发展核能,必须依靠压水堆和快堆匹配发展的核燃料闭式循环路线。专家预计2020—2030年左右MOX燃料在我国PWR核电站商用是有可能的,但目前中国实验快堆(CEFR)对MOX燃料的需求更为急迫。最近,我国正在抓紧制定实验快堆→示范快堆→商用快堆的“三步走”战略发展路线。计划2010年建成一座电功率为20 MW的中国实验快堆,CEFR是按MOX燃料设计的,需要MOX燃料芯块500 kg/a。但由于目前没有国产MOX燃料,也几乎不可能从